一种太阳能电-生物节能水处理系统和处理水的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种太阳能电‑生物节能水处理系统和处理水的方法，所述系统包括颗粒过滤模块、电化学降解模块、生物菌落除盐模块、直流电源和太阳能发电模块；所述颗粒过滤模块出口连接至电化学降解模块，电化学降解模块出口连接至生物菌落除盐模块；所述水体循环模块由与电化学降解模块连接的出水循环管、进水循环管以及循环水泵组成；所述电化学降解模块中任意一个处理单元均包括阳极和阴极，阳极和阴极通过导线与直流电源连接，所述直流电源与太阳能发电模块连接；所述阳极为梯度硼掺杂金刚石电极。本发明专利技术提供的水处理系统具有高COD移除效率，高矿化效率，高电流利用效率、同时将太阳能引入系统中，可大幅降低水体降解过程中所需整体能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能电-生物节能水处理系统和处理水的方法
本专利技术涉及一种太阳能电-生物节能水处理系统和处理水的方法，属于水处理

技术介绍
电化学高级氧化技术(EAOPs)作为一种新型水处理技术近年来收到了广泛关注，其具有以下优势：(1)操作简便，仅需外加电子进行驱动即可实现对高浓度难溶难降解有机废水的高效降解矿化作用，使其可降低至排放标准；(2)无选择性，该技术基于电极表面所发生的直接氧化以及水体内电催化作用下所产生的活性氧族(ROS)，活性氯(RCS)，以及活性硫酸基团(RSS)等活性氧化性物质与有机污染物发生的间接氧化过程两种渠道，可实现对不同种类废水(造纸废水，制革废水，化工废水，农药废水，医药废水等)中不同分子结构有机物均实现高效降解，大分子有机物与小分子中间副产物均能被完全矿化；(3)无二次污染，与现有传统工艺不同，该技术无需外加化学试剂，仅依靠水体内残余工业盐类即可实现离子导电，对水体中的有机物进行降解，且降解路径随所施加电能输出模式改变而发生变化，易于控制，能实现无二次污染，绿色的环境友好型降解模式；(4)易与其他技术耦合连用，电化学氧化降解技术以自由基氧化反应为主导，实际应用过程中易于超声，臭氧，光催化等技术联用，发挥协同效应，产生“1+1>2”的效果，以获得更高的降解/矿化/消毒作用。然而现有的电化学有机废水系统仍然存在耗能高、降解效率低的缺陷，从而限制了电化学氧化降解技术在有机废水中的实际应用。生物法作为一种环境友好型水处理技术，存在着绿色，经济等优势，但其对于浓度过高有机废水与环境恶劣(如:强酸或强碱环境等)难以维持微生物菌落的存活与有效工作。因此其适用于已被降解至较低浓度的有机废水，可有效降低水体含盐量、总氮、总磷等污染物。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供了一种降解矿化效率高、能够高效转化太阳能的太阳能电-生物节能水处理系统和处理水的方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，包括：颗粒过滤模块、电化学降解模块、生物菌落除盐模块、水体循环模块、直流电源和太阳能发电模块；所述颗粒过滤模块出口连接至电化学降解模块，电化学降解模块出口连接至生物菌落除盐模块；所述水体循环模块由与电化学降解模块连接的出水循环管、进水循环管以及循环水泵组成；所述电化学降解模块由若干个处理单元组成，任意一个处理单元均包括阳极和阴极，阳极和阴极通过导线与直流电源连接，所述直流电源与太阳能发电模块连接；所述阳极为梯度硼掺杂金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石电极的电极工作层为梯度硼掺杂金刚石层；所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼含量梯度增加的梯度硼掺杂金刚石底层、梯度硼掺杂金刚石中层、梯度硼掺杂金刚石顶层。本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，所述梯度硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为3333～33333ppm；优选为3333-10000ppm；所述梯度硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为10000～33333ppm；优选为13332-20000ppm；所述梯度硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为16666～50000ppm；优选为26664-50000ppm。电化学氧化降解模块降解机理通常分为有机污染物在电极表面的直接氧化与电极表面产生的强氧化性的活性物质(如羟基自由基，活性氯，活性硫酸基团等)间接氧化污染物两种途径，其中以间接氧化为主导。因此降解效率很大程度上受到电极材料本征特性(比表面积，sp3/sp2，硼掺杂浓度等)的影响，这是由于电极材料本征特性决定了活性物质产率。本专利技术中采用梯度硼掺杂高比表面积电极材料综合电极材料优势，能大幅提高电化学降解模块的降解矿化效率。在本专利技术中，掺硼含量由薄膜底部至顶部硼逐渐提升，底层高附着力层采用极低硼掺杂浓度，以保证薄膜结合性与稳定性，这是由于底层直接与电极基体按触的，在沉积初期金刚石相形核较为容易，缺陷较少，sp2相碳较少。能够进一步提升形核面的sp3含量与晶格稳定性，从而增强与电极基体的附着力，而中间层作用为耐腐蚀，采用中等硼含量(即硼含量高于底层且低于顶层)，由于中间层中硼含量仍然较低，因此可以保证sp3相纯度(即金刚石致密连续)，而同时由于具有一定的掺硼量，因此又可以保证该层的导电性能。而顶层硼掺杂含量高，可提高材料的导电性与电化学活性，使得顶层电势窗口宽、析氧电位高、背景电流低，该金刚石顶层可以大幅提升该电极的电催化活性和降解效率；同时亲水性也会随着硼含量的增加而提升，而亲水性的提升又可大幅提升电极在电化学氧化过程中的氧化效率。总之利用底层高附着力层、中间高致密耐腐蚀层与顶层高硼掺杂浓度催化层组成的长寿命，高催化活性电极材料，能有效降低系统实际应用过程中降解效率及维护成本。本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，所述梯度硼掺杂金刚石电极的润湿角θ<40°。本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，所述梯度硼掺杂金刚石层的厚度为5μm～2mm；所述梯度硼掺杂金刚石中层的厚度占梯度硼掺杂金刚石层厚度的50％～90％；所述梯度硼掺杂金刚石顶层的厚度占梯度硼掺杂金刚石层厚度≤40％。由于本专利技术梯度硼掺杂金刚石底层、梯度硼掺杂金刚石中层、梯度硼掺杂金刚石顶层分工不同，底层与顶层分别起到提升衬底/薄膜结合性与具有高电化学活性(高催化性)作用及提升亲水性。因此薄膜材料的主体部分为中间耐腐蚀层，在服役过程中，将起到导电与耐腐蚀等作用，因此其厚度需占梯度硼掺杂金刚石层中的一半以上，而控制顶层的厚度占梯度硼掺杂金刚石层厚度≤40％，是由于随着硼含量的增加，将引入sp2相碳(石墨相碳)也会随之增加，而本专利技术通过将顶层厚度控制在40％以内，可以避免引入过量的sp2相碳，因此既能提升亲水性，又能保证材料的亲水性与高催化活性。本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，所述梯度硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥，其中微孔直径为500nm～0.5mm，尖锥直径为1μm～30μm。本专利技术一种太阳能电-生物节能水处理系统，所述梯度硼掺杂金刚石电极是直接以衬底作为电极基体；或在衬底表面设置过渡层后作为电极基体，再于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层。其中梯度硼掺杂金刚石层为电极工作层。在本专利技术中，对于衬底材料的选择不受限制，现有技术中报道的衬底材料均适合作为本专利技术的衬底。优选的，所述衬底材料选自金属镍、铌、钽、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种；或电极衬底材料选自陶瓷A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、TiB2、TiN、WC、Cr7C3、Ti2GeC、Ti2AlC和Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种或其中的掺杂陶瓷；或电极衬底材料选自上述金属和陶瓷组成的复合材料中的一种，或衬底材料选自金刚石或Si。进一步的优选，所述衬底材料选自钛、镍、硅中的一种。优选的，所述衬底形状包括圆柱状、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：包括：颗粒过滤模块、电化学降解模块、生物菌落除盐模块、水体循环模块、直流电源和太阳能发电模块；/n所述颗粒过滤模块出口连接至电化学降解模块，电化学降解模块出口连接至生物菌落除盐模块；/n所述水体循环模块由与电化学降解模块连接的出水循环管、进水循环管以及循环水泵组成；/n所述电化学降解模块由若干个处理单元组成，任意一个处理单元均包括阳极和阴极，阳极和阴极通过导线与直流电源连接，所述直流电源与太阳能发电模块连接；所述阳极为梯度硼掺杂金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石电极的电极工作层为梯度硼掺杂金刚石层；所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼含量梯度增加的梯度硼掺杂金刚石底层、梯度硼掺杂金刚石中层、梯度硼掺杂金刚石顶层。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：包括：颗粒过滤模块、电化学降解模块、生物菌落除盐模块、水体循环模块、直流电源和太阳能发电模块；
所述颗粒过滤模块出口连接至电化学降解模块，电化学降解模块出口连接至生物菌落除盐模块；
所述水体循环模块由与电化学降解模块连接的出水循环管、进水循环管以及循环水泵组成；
所述电化学降解模块由若干个处理单元组成，任意一个处理单元均包括阳极和阴极，阳极和阴极通过导线与直流电源连接，所述直流电源与太阳能发电模块连接；所述阳极为梯度硼掺杂金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石电极的电极工作层为梯度硼掺杂金刚石层；所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼含量梯度增加的梯度硼掺杂金刚石底层、梯度硼掺杂金刚石中层、梯度硼掺杂金刚石顶层。


2.根据权利要求1所述的一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为3333～33333ppm；所述梯度硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为10000～33333ppm；所述梯度硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为16666～50000ppm。


3.根据权利要求1所述的一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石电极的润湿角θ<40°；所述梯度硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥，其中微孔直径为500nm～0.5mm，尖锥直径为1μm～30μm。


4.根据权利要求1所述的一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石层的厚度为5μm～2mm；所述梯度硼掺杂金刚石中层的厚度占梯度硼掺杂金刚石层厚度的50％～90％；所述梯度硼掺杂金刚石顶层的厚度占梯度硼掺杂金刚石层厚度≤40％。


5.根据权利要求1所述的一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石电极是直接以衬底作为电极基体；或在衬底表面设置过渡层后作为电极基体，再于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层；
所述衬底材料选自金属镍、铌、钽、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种；或电极衬底材料选自陶瓷A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、TiB2、TiN、WC、Cr7C3、Ti2GeC、Ti2AlC和Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种或其中的掺杂陶瓷；或电极衬底材料选自上述金属和陶瓷组成的复合材料中的一种，或衬底材料选自金刚石或Si；
所述衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；
所述衬底结构包括三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构；
所述过渡层材料选自钛、钨、钼、铬、钽、铂、银、铝、铜、硅中的至少一种，所述过渡层的厚度为50nm～10μm。


6.根据权利要求1所述的一种太阳能电-生物节能水处理系统，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石电极的制备方法为：
步骤一、电极基体的预处理
将电极基体置于含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中；超声处理，烘干；获得表面吸附纳米晶和/或微米晶金刚石的电极基体；
步骤二、沉积梯度硼掺杂金刚石层
将步骤一中所得电极基体置于化学沉积炉中，于电极基体表面依次进行三段沉积，获得梯度硼掺杂金刚石层，控制第一段沉积过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，周科朝，马莉，王立峰，王宝峰，施海平，苗冬田，
申请(专利权)人：南京岱蒙特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32